Режимы токарной обработки тонкостенных деталей важны для изучения, по причине того, что они занимают значительную долю в номенклатуре промышленных изделий. Расчет режимов резания при токарной обработке может вызвать определенные сложности, обусловленные их деформацией под действием сил резания и закрепления. Анализ литературных источников по обработке таких деталей показывает, что для преодоления этой проблемы обычно используются специальные станочные приспособления, повышающие жесткость системы «станок - приспособление – инструмент - деталь» до уровня, отвечающего требованиям к точности изготавливаемой детали. Недостатками такого подхода является увеличение сроков технологической подготовки производства, а также повышение производственных затрат, обусловленных проектированием приспособлений, их изготовлением и эксплуатацией. Перечисленные издержки особенно ощутимы в единичных и мелкосерийных производствах (самолетостроение, ракетостроение, судостроение и др.), в которых упомянутые производственные затраты значительно повышают себестоимость изготавливаемых деталей.
В этой связи представляется целесообразным поиск и изучение альтернативных возможностей преодоления проблемы податливости тонкостенных деталей, например, путем разработки вариантов которые «смягчат» режимы резания при токарной обработке, в результате которых деформация деталей не будет превышать допустимых значений. Обзор публикаций и литературы показывает, что данная тема недостаточно полно раскрыта. В связи с этим, целью настоящей работы является оценка реализуемости возможностей механической обработки нежёстких деталей с допустимыми технологическими деформациями, применяя при этом стандартные приспособления и специальные режимы обработки на токарном станке.
Метод исследования и постановка задач
Метод исследования - числовое моделирование деформации тонкостенных деталей под действием сил резания и сил закрепления. Ожидаемым результатом работы является выявление общего характера и масштабов деформации деталей, обрабатываемых на токарных станках. В работе решались следующие задачи:
- Формирование номенклатуры деталей, представляющих типичные классы тонкостенных деталей типа тел вращения.
- Исследование, как влияют режимы резания при токарной обработке на станках с описанием типовых схем силового нагружения деталей при их обработке в стандартных приспособлениях.
- Моделирование деформации обрабатываемой детали под действием технологических нагрузок, выявление общей топологии деформационных полей и определение значений упругих деформаций обрабатываемой поверхности деталей.
- Анализ полученных результатов по влиянию силовых технологических нагрузок на упругую деформацию деталей применяя разные режимы токарной обработки.
В конечном итоге, настоящая работа направлена на количественное оценивание необходимости и принципиальной возможности использования специальных режимов резания, обеспечивающих обработку тонкостенных деталей с требуемой размерной точностью без применения индивидуально создаваемых для этого станочных приспособлений.
Исходные данные, ограничения и допущения
- 1. Настоящее исследование ограничивается рассмотрением случаев обработки деталей на токарных станках, при которых деталь нагружается силой резания и силами закрепления от инструмента и зажимных кулачков токарного патрона. При этом, делается допущение о том, что приложение технологических нагрузок к детали носит точечный характер.
- 2. В качестве объекта исследования выбраны два класса нежёстких деталей токарной группы - детали класса «Труба» (Т), и детали класса «Диск» (Д), представленные на Рис. 1. Классы деталей Т и Д заданы семейством из девяти деталей-представителей (Т1.1…Т3.3 и Д1.1…3.3), охватывающих размерный диапазон, типичный для деталей данных классов (табл. 1).
Рис. 1. Эскиз деталей и классов Т и Д.
Таблица 1. Размеры деталей классов Т и Д
- 3. Материал деталей Т и Д – сталь 45. Механические характеристики стали: предел прочности (σВ) - 600 МПа; предел текучести (σ02) –340 МПа; относительное удлинение (δ) – 16%; относительное сужение (φ) – 40%; твердость по Бринеллю (HB) – 2400 МПа; ударная вязкость (аu) – 0,5 МПа.
- 4. Детали класса Т и Д закрепляются в 3-х кулачковых патронах и подвергается продольному точению (детали класса Т, Рис. 2) и поперечному торцевому точению (детали класса Д, Рис. 3).
Рис.2. Схема силового технологического нагружения деталей класса Т.
Рис.3. Схема силового технологического нагружения деталей класса Д.
- 5. Для каждого типоразмера деталей классов Т и Д моделируются режимы обработки на токарном станке трех типов, соответствующих трём стадиям формообразования: черновая обработка (Ra 12,5 мкм; IT10; режим обработки - t =1,25 мм, S=0,9 мм/об); чистовая обработка (Ra 6,3 мкм; IT8; режим обработки - t=1,0мм, S=0,35мм/об); тонкая обработка (Ra 1,25 мкм; IT6; режим обработки - t=0,85 мм, S=0,1 мм/об).
Значения составляющих Px, Py, Pz, силы резания определялись традиционно, исходя из технологических параметров режимов резания по известным аналитическим зависимостям.Значения сил закрепления R детали в кулачках патрона определялись из условий «непроскальзывания» детали в кулачках за счет противодействия сил трения в точках контакта пар «кулачок-деталь» (табл. 2).
Таблица 2. Силы резания при обработке деталей класса Т и Д
Расчет деформации тонкостенных оболочковых деталей
Деформация рассматриваемых тонкостенных деталей, применяя различные режимы резания при токарной обработке, исследуется моделированием в среде конечно-элементного программного комплекса ANSYS. В соответствии с принятыми допущениями и ограничениями.
Моделирование включает две этапа:
- определение деформации от сил закрепления: ввод исходных данных, выбор типа задачи выбор типа элемента, задание свойств материала, построение геометрии в цилиндрической системе координат, разбиение модели на конечные элементы, приложение сил закрепления;
- определение деформации от суммарного воздействия сил закрепления и сил резания: приложение сил резания к детали с начальными смещениями от закрепления, построение диаграммы суммарного векторного перемещения, получение максимального перемещения.
Результаты моделирования деформации деталей типа Т1.1. и Д 1.1. от закрепления приведены на рис. 4 и 6, а деформации от суммарного воздействии технологических нагрузок резания и закрепления - на рис. 5, 7. и в таблицах 3 и 4.
Рис. 4. Распределение деформации детали Т1.1. от сил закрепления
Рис. 5. Распределение деформации детали Т1.1 от совместного действия сил закрепления и сил резания.
Рис. 6. Распределение деформации детали Д1.1. от сил закрепления
Рис. 7. Распределение деформации детали Д1.1 от совместного действия сил закрепления и сил резания.
Таблица 3. Предельные значения деформации (мкм) деталей класса Т
*) в скобках указаны поля допусков (мкм) по квалитету IT10 – для черновой обработки, IT8 – для чистовой обработки, IT6 – для тонкой обработки.
**) жирным шрифтом выделены значения деформации, превышающие отклонения размеров, определенные указанными квалитетами точности для рассматриваемых стадий механической обработки.
Таблица 4. Предельные значения деформаций (мкм) деталей класса Д
Выводы
- 1. Настоящая работа рассматривается авторами, как сбор предварительной информации по мало изученному вопросу о технологической деформации деталей при их обработке на металлорежущих станках.. Рассмотрен частный случай – токарная обработка тонкостенных деталей классов «Труба» и «Диск».
- 2. Полученные в работе данные иллюстрируют общий характер и порядок значений технологической деформации тех случаев для которых есть нормативно назначенные режимы резания при токарной обработке на станках с использованием стандартных станочных приспособлений – трёх кулачкового патрона.
- 3. Установлено, что при варьировании в рамках принятых ограничений формы и размеров деталей, технологическая деформация деталей изменяется в широких пределах и может достигать трёхкратного превышения поля допуска на исполнительные размеры обрабатываемых поверхностей.
- 4. Полученные данные позволяют сделать предположение о потенциальной возможности контролируемого управления технологической деформацией нежёстких деталей за счёт того что применяются специальные режимы обработки на токарном станке.
- 5. Для прогнозирования условий обработки тонкостенных деталей с приемлемой технологической деформацией необходима разработка общей методологии и расчетного инструмента, позволяющих решать обратную задачу технологического проектирования - «предельно допустимая деформация - режимы токарной обработки ».
Заключение
Полученные результаты подтверждают возможность прогнозирования топологии технологической деформации тонкостенных деталей при их механической обработке. Для прогнозирования условий, обеспечивающих обработку тонкостенных деталей с технологической деформацией, лежащей в интервале значений, допустимых требованиями заданной точности. Для решения этой задачи необходимо создание специального формализованного расчётного инструмента. Современные теоретические и инструментальные средства создают определенные предпосылки для разработки данной проблемы и требуют проведения дополнительных исследований.